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水冷漫谈(二)——水冷散热器工艺与设计原则

日期:2019-08-06

水冷散热器,是水冷散热系统的重要组成部件,也是热设计工程师最多关注的部件。可以不管泵体、仪表、换热器等等,但是涉及水冷的设计,散热器一般是绕不开的。

一、制成工艺

水冷散热器,通俗来讲就是,导热体内部设有流道,灌注一定液体工质,为器件散热。所以水冷散热器有千差万别的形式和制作工艺。

1钻孔式:早期的主要加工方式,下图为赛米控的Skiip II中的应用,为增强对流,圆孔中塞有麻花状绕流子。此种加工工艺简单,成本低,但热阻大是硬伤,原因后面会详述。此外,钻孔的流道大都是垂直相交,流动阻力相对较大。        

          

2 型材

挤型材可以算作钻孔的升级版,相对于钻孔的光滑圆管,挤型材可以自带小肋片。另外流道的形式也可以是矩形,散热性能有望提高,但流道仍然是垂直相的,阻力比较大。

 

从制成工艺上讲,平行铝扁管也属于型材类别。早期多用于换热器,Tesla电池组中用作散热器,使其名声大噪。适用于比较分散的热源。

3 镶嵌管道

解决管道漏液问题的产物,部分防腐蚀的场合,也有嵌入不锈钢管的情况。管道贴近热源,导热的热阻降低,但受折弯半径的影响,管道相对稀疏,面对热源比较集中的散热场合显得力不从心。

 

 4. 压铸

与机箱一体化设计,保证产品的高防护等级,近期在电动汽车领域应用比较多。压铸铝材导热系数比较低,受拔模角度的影响,翅片密度不可过大,但是流道设计比较灵活,翅片可做成流线型,小翅片叉排布置。 

5. 铣槽型

在铝板上铣出槽道,借助CNC,可以加工出密集的灵活的水道,保证散热器具有较低的热阻。

6. 复合焊接型

在铝板中加工比较大的空腔,将冲缝波纹状的铝箔填充进去,借助钎焊工艺焊接成一体。这种散热器扩展表面积比较大,热阻较低。在赛米控Skiip IV中有所应用。 

7.吹胀工艺

一个老工艺,主要应用于制冷行业,用来加工冰柜的蒸发器,这种散热器成本很低,可以流水线生产,但是整个金属板厚度有限,而且管道的吹胀高度也有限制(一般不超过3mm),所以,用作水冷散热器的话,适用于低流量,低功率密度的场合,且不可用于承受应力。 

8 新型的水冷散热器

这是Jason前年(2016)年接触到的新的水冷散热器加工工艺:在金属(一般为铝或铜)板上,加工出密集的针状翅片,每英寸接近20个针,而且每个针都自成螺旋状,可增强绕流。带针翅金属板填入流体腔道中,通过搅拌摩擦焊等方式焊接为一体。该散热器具有较低的热阻。厂商说明,针肋的高度不可超过8mm,但对于水冷散热器,已经足够。 

水冷散热器的加工工艺需要根据产品的应用场合,以及散热器的附加属性综合考虑来选取。例如,电动汽车驱动器,防护等级为IP67,而且散热器与外壳均需要足够的结构强度和刚性,因此,散热器与外壳一起压铸成型成为首选,尽管从散热角度,压铸散热器并不是最好的形式。

考虑到承压问题,流道多采用焊接方式密合。目前应用比较广泛的两种焊接为搅拌摩擦焊和钎焊。

搅拌摩擦焊是利用带有特殊形状的硬质搅拌指棒的搅拌头旋转着插入被焊接头,与被焊金属摩擦生热,通过搅拌摩擦,同时结合搅拌头对焊缝金属的挤压,使接头金属处于塑性状态,搅拌指棒边旋转边沿着焊接方向向前移动,在热-机联合作用下形成致密的金属间结合,实现材料的连接。

搅拌摩擦焊的优点:

1)     可提高热处理铝合金的接头强度

2)     焊接前铝合金无需表面去膜,焊接过程中无需惰性气体保护;

3)     没有气孔出现;

4)     较小的焊接变形

5)     无需其他材质焊料

缺点:

1)  焊接结束由于搅拌头的回抽,焊缝的末端留有“匙孔”,需要特殊处理

2)  焊缝宽度限制

3)  被焊零件需要由一定的结构刚性或被牢固固定来实现焊接。

钎焊是利用熔点比母材(被钎焊材料)熔点低的填充金属(称为钎料或焊料),在低于母材熔点、高于钎料熔点的温度下,利用液态钎料在母材表面润湿、铺展和在母材间隙中填缝,与母材相互溶解与扩散,而实现零件间的连接的焊接方法。美国焊接学会(AWS)规定钎料液相线温度高于450℃所进行的钎焊为硬钎焊,低于450℃所进行的钎焊为软钎焊

就在昨天,冰河传热微信群中还有人问铝材水冷散热器,能不能用锡焊实现。锡焊属于软钎焊,因为软钎焊中钎料与母材的成分及电极电位相差很大,易使接头产生电化学腐蚀,所以水冷散热系统中,很少有人用锡焊。

钎焊的优点:可以大面积焊接,对于铣沟槽型散热器,窄肋片也可以和盖板焊接,增加散热器的强度;

缺点:

1)     钎焊温度控制比较难:铝及铝合金的熔点与所用的硬钎料的熔点相差不大,钎焊时可选择的温度范围很窄,温度控制稍有不当就容易造成母材过热甚至熔化,使钎焊过程难予进行;

2)     事先不可阳极氧化

3)     可能产生虚焊、气孔

搅拌摩擦焊和钎焊各有优缺点,但从节能环保方面,搅拌摩擦焊更有优势,近些年比较火热。
 

 

二、水冷散热器的设计原则

1. 基材的选择:尽量避免一个系统中有两种电极电位差较大的金属,减少电化学腐蚀。

2. 流量的确定:由于水冷的系统比较庞大,一般不会对整个系统做仿真分析,而是先设定水冷散热器流量,再根据对应的系统流动阻力匹配水泵。总热量和工质的物性参数确定后,流量和温升成反比

若温升较高,则水冷系统的换热器(冷却水用)需要设计的比较大;若温升过低,则需要选用比较大的水泵。因此温升过高或过低都会引起成本的增加。基于经济性考虑,常常有个经济型温升范围,也就同步确定了散热器的流量。

3.水冷流道截面的设计

经理论推导,对流热阻与截面的水力直径成正相关的关系。

也就是说,其他条件相当,水力直径越大,对流热阻越大。我们知道,水力直径D=4A/X,其中A为流道截面积,X为流道截面周长,也就是说,截面积相等的条件下,周长越大,水力直径越小,对流热阻越小。

因此,下图中,谁优谁劣就一目了然了。 

4.流速的限制

基于Lytron的一份基础研究报告,流速超过一定限值,工质会破坏金属壁面的氧化保护膜,造成冲蚀。不同的金属,限值不同,铝材最好低于2m/s。因此,限定了流量之后,流道总的截面积也基本限定了。

5.流道的高度

翅片的效率是关于对流换热系数的减函数,所以液冷散热器的翅片并不需要太高。之前有见到将流道高度设计为20mm的情况,事实上,降低翅片高度,热阻有可能降低。

由此可见,水冷散热器的设计,特别是平行矩形翅片类型的水冷散热器,设计参数并不是随心所欲的。认为水冷散热比较简单的,大多是因为热流密度还不够大。

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